化工生產(chǎn)安全論文化工安全生產(chǎn)論文基于模糊綜合評價的化工工藝本

1、 化工生產(chǎn)安全論文化工安全生產(chǎn)論文：基于模糊綜合評價的化工工藝本質(zhì)安全指數(shù)研究【摘要】 建立化工工藝的本質(zhì)安全評價指標體系,包括可燃性、爆炸性、毒性、反應(yīng)性、溫度、壓力、儲量等7個指標。為解決前人指數(shù)法中的邊界波動效應(yīng),采用模糊綜合評價建立化工工藝本質(zhì)安全評價指數(shù)模型,確定各指標的權(quán)重、危險分級及對各分級的隸屬函數(shù)。以甲基丙烯酸甲酯的5條工藝路線為例進行分析,結(jié)論與前人提出的指數(shù)方法的評價結(jié)果相吻合,表明該指數(shù)方法可以用來進行化工工藝的本質(zhì)安全評價,以指導(dǎo)設(shè)計初期的本質(zhì)安全型工藝路線選擇?！娟P(guān)鍵詞】 化工工藝;本質(zhì)安全;邊界波動效應(yīng);模糊綜合評價;隸屬函數(shù)0引言化學(xué)工業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè),

2、近年來正日趨大型化、復(fù)雜化、連續(xù)化與自動化。它在不斷帶來了巨大物質(zhì)財富的同時,也由于其傳統(tǒng)工藝技術(shù)落后,增加了事故和環(huán)境污染風(fēng)險。如2005年11月13日我國吉林石化雙苯廠苯胺裝置發(fā)生了特大爆炸火災(zāi)事故,造成8人死亡, 60人受傷,直接經(jīng)濟損失6 908萬元,并致使松花江水嚴重污染,哈爾濱市被迫全市停水4天,且波及鄰國俄羅斯,造成惡劣的國際影響。2006年7月28日8時45分左右,位于江蘇省射陽縣臨海鎮(zhèn)的鹽城氟源化工有限公司氯化反應(yīng)器在試生產(chǎn)過程中發(fā)生爆炸,繼而發(fā)生連續(xù)爆炸,造成硝化、氯化兩個車間廠房全部倒塌,造成22人死亡, 29人受傷。這些事故的嚴重性表明,事故預(yù)防與風(fēng)險管理技術(shù)的進一步開

3、發(fā)與應(yīng)用迫在眉睫。從根本上預(yù)防人員傷亡和環(huán)境污染事故,實現(xiàn)綠色化學(xué)、清潔發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義1。在實現(xiàn)本質(zhì)安全化的過程中,進行本質(zhì)安全評價必不可缺,國內(nèi)外已有很多種本質(zhì)安全評價方法,筆者在此基礎(chǔ)上提出了一種基于模糊綜合評價法的本質(zhì)安全評價模型,旨在進一步解決前人指數(shù)法中的邊界波動效應(yīng)。1本質(zhì)安全與本質(zhì)安全評價本質(zhì)安全化的理念是人們對災(zāi)難性事故反思的產(chǎn)物,反映了人類安全生產(chǎn)和環(huán)境保護思想由被動的末端治理到主動源頭控制的客觀發(fā)展過程。本質(zhì)安全化不是依靠被動、主動的程序措施,而是通過化學(xué)與物理學(xué)來預(yù)防事故,即通過改進設(shè)計,消減工藝、設(shè)備中存在的危險物質(zhì)或危險操作的數(shù)量,使用安全材料替代危險材料等綜

4、合措施,以消除或減少工藝、設(shè)備中的危險性。本質(zhì)安全化設(shè)計往往可以得到一個簡化而又節(jié)約的工藝過程,因為危險的消減,減少了安全裝置的使用與維護1-6。每個工藝過程都同時存在很多種危險性,如易燃易爆性、毒性、高溫、高壓等。在具體采取本質(zhì)安全措施時,往往都是針對某一類或者某幾類危險進行消減,實施本質(zhì)安全化。對于其他的危險性,可能沒有影響,或者增加其危險性。如使用氟利昂作為制冷劑,代替了液氨與輕烴,雖然減少了易燃易爆性與毒性,但氟利昂可對臭氧層造成破壞,對環(huán)境造成了影響。再如:某個使用相對無害的水和二氧化碳的超臨界工藝卻需要高溫高壓。因此,在實施具體本質(zhì)安全措施的前后就需要對工藝中的所有危險進行辨識與分

5、析,以進行權(quán)衡與評價。此時就需要有一個合理可行的本質(zhì)安全評價工具5, 7。從1978年Kletz提出本質(zhì)安全化的理念以來,世界各國已有很多學(xué)者投入到本質(zhì)安全評價指標體系的研究中。典型的幾套指標體系有: 1993年Ed-wards與Lawrence提出的Prototype Index for InherentSafety(PIIS)8; 1996年Heikkila提出的InherentSafety Index( ISI)9; 2002年P(guān)alaniappan提出的i-Safe指數(shù)10; 2003年Gupta與Edwards在PIIS的基礎(chǔ)上提出了一種基于圖表的評價方法8; 2003年Gentil

6、e提出的基于模糊推理的本質(zhì)安全指數(shù)11;2004年Khan與Amyotte提出的Integrated InherentSafety Index(I2SI)12等。Gentile指出了PIIS, ISI及i-safe中的邊界波動效應(yīng)問題,即在指標子范圍的邊界處分值出現(xiàn)突然跳躍而指標值在子范圍內(nèi)部變動時分值不變的現(xiàn)象。Gentile把模糊推理Mamdani算法應(yīng)用到指數(shù)模型中,解決了這一問題11。但模糊推理算法較復(fù)雜,筆者嘗試在其基礎(chǔ)上簡化,使用模糊綜合評價法建立指標體系,以解決邊界波動效應(yīng)問題13-14。2本質(zhì)安全指數(shù)模型的建立筆者建立的本質(zhì)安全指數(shù)模型主要用于在設(shè)計初期的工藝路線分級與選擇。而

7、此時可以獲得的工藝信息很少,只有一些物性、工藝參數(shù)等,故只能通過它們建立模型15?；すに嚨谋举|(zhì)安全程度主要由其固有危險性決定,具體受工藝過程中的原料、半成品、成品數(shù)量和性質(zhì)、相應(yīng)操作條件的苛刻程度等影響。因而,可以分為兩個二級指標:物質(zhì)危險性和工藝條件危險性。在物質(zhì)危險性中,主要考慮可燃性、爆炸性、毒性、反應(yīng)性等4個三級指標。在工藝條件危險性中,主要考慮操作溫度、操作壓力、儲量等3個三級指標8-11, 16-17,指標體系見表1?？扇夹灾肝镔|(zhì)在空氣中被點燃的難易程度,該模型中以閃點表示,閃點越低,則可燃性越高。爆炸性指物質(zhì)在空氣中形成爆炸性混合物的難易程度,由其爆炸極限決定。顯然,爆炸區(qū)間(

8、爆炸上限-爆炸下限)越大,爆炸下限越低,則爆炸性越高,故該模型中以爆炸危險度表示爆炸性16:EH=(UEL-LEL) /LEL (1)式中,EH為物質(zhì)的爆炸危險度;UEL,LEL分別為物質(zhì)的爆炸上限于爆炸下限。毒性可以通過閾限值(Threshold LimitValue,TLV)或者半數(shù)致死劑量LD50、半數(shù)致死濃度LC50等指標表示。TLV指的是8小時工作日或40小時工作周中的幾乎所有工人每天反復(fù)接觸而不致受到有害影響的時間加權(quán)平均濃度限值。由于對于大多數(shù)物質(zhì)都可以獲取其TLV值,故該體系中用TLV來表征物質(zhì)毒性。TLV越小,毒性越大。2.1指標權(quán)重的確定在ISI中,不同指標的取值范圍不同,

9、取值范圍的大小表示的是該指標對本質(zhì)安全程度的重要程度。它們是通過國際上的一些過程安全專家的頭腦風(fēng)暴得出,有很大的可信度。在此參考這一系列取值范圍,并對其歸一化,作為文中的指標對于總指標的權(quán)重系數(shù),見表19。2.2備擇集的建立備擇集是評價者對評價指標可能作出的各種評價評語所組成的集合,一般以程序語言或評定取值區(qū)間作為評價目標。筆者將各個評價指標按照危險程度分為5級,即“很高危險”、“高危險”、“中度危險”、“低危險”與“很低危險”3,16。以模糊語言表示為V=很高危險(VH),高危險(H),中度危險(MH),低危險(L),很低危險(VL)2.3指標等級劃分及隸屬函數(shù)的確定隸屬函數(shù)的曲線形式有三角

10、形、梯形和高斯形等,隸屬函數(shù)之間應(yīng)有重疊,一般重疊為25% 50%。根據(jù)文獻13, 16,兩端區(qū)間采用梯形隸屬函數(shù),中間區(qū)間采用三角形隸屬函數(shù),并且相鄰的隸屬函數(shù)之間重疊為50%時描述簡單,計算方便。故文中也據(jù)此設(shè)置隸屬函數(shù)。一般設(shè)在中間區(qū)間的中點其隸屬函數(shù)取最大值1,而在相鄰兩區(qū)間的中點其隸屬函數(shù)取最小值0,連接1與0,得指標對該評語等級的隸屬函數(shù)。筆者主要參照化工行業(yè)的相關(guān)國家標準規(guī)范,結(jié)合國內(nèi)外危險指數(shù)或安全評價指標中的等級劃分,制定出各個指標的具體分級標準見表2,并確定了各個指標對備擇集中各個評語的隸屬函數(shù)8-10, 16。因篇幅有限,現(xiàn)僅列舉可燃性與溫度的隸屬函數(shù)如圖2、圖3所示。2

11、.4指數(shù)計算方法國內(nèi)外危險指數(shù)計算方法主要有3種,即加和型、平均型與最壞模式型18。加和型的計算方法強調(diào)對每個工藝步驟進行指數(shù)計算,把所用步驟的指數(shù)值相加得到整個工藝的指數(shù)值,這一方法雖然可以反映出工藝復(fù)雜性所表示的危險性,但評價結(jié)果受工藝步驟數(shù)影響很大,準確性太低。平均型計算方法即對各個步驟的指數(shù)值相加再除以步驟數(shù),以消除工藝步驟數(shù)對評價結(jié)果的影響。最壞模式型則是出于保守考慮,選擇工藝中最危險的物質(zhì)屬性、最危險的操作條件等代表整個工藝的危險程度以進行指數(shù)計算,是最合理的。在文中,即選取最壞模式型進行指數(shù)計算。2.5指數(shù)計算步驟1)對化工工藝進行分析:通過化學(xué)品安全說明書(MSDS)、國際化學(xué)

12、品安全卡(ICSC)等獲取工藝中所有物質(zhì)的危險特性,包括閃點、爆炸極限及TLV等;通過化工手冊等查出各部反應(yīng)方程式中的反應(yīng)物與生產(chǎn)物的標準生成焓,以計算反應(yīng)熱;列出各反應(yīng)步驟的操作溫度與操作壓力。2)計算出各物質(zhì)的爆炸危險度。選擇儲量,最低的閃點值、TLV值與反應(yīng)熱值,最高的爆炸危險度、操作溫度與操作壓力,帶入相應(yīng)的隸屬函數(shù)中,得出對應(yīng)的評價指標對各評語的隸屬度子集。3)把7個隸屬度子集組成一個7×5的模糊隸屬度矩陣L?；すに嚨谋举|(zhì)安全型模糊評判矩陣為In=Q×L=0.130.130.190.130.130.130.16×式中,Q為各指標的權(quán)重行向量;f, e,

13、 t, r,w,p, in分別為可燃性、爆炸性、毒性、反應(yīng)性、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力及儲量對各個危險等級的隸屬度。4)設(shè)置一個列向量n=5 4 3 2 1,則該評價模型的本質(zhì)安全指數(shù)值: 式中,In為化工工藝的總體本質(zhì)安全程度對各個危險等級的隸屬度,由式(2)求得。顯然InSI的取值范圍為1,5。InSI越大,本質(zhì)安全程度越低。3實例應(yīng)用對于文中提出的本質(zhì)安全指數(shù)模型,編制了MATLAB函數(shù)進行計算?，F(xiàn)使用該方法對甲基丙烯酸甲酯(MMA)的5條工藝路線進行評價。MMA是一種重要的有機化工原料,用作有機玻璃的單體,也用于制造其他樹脂、塑料、涂料、粘合劑、潤滑劑、木材和軟木的浸潤劑、紙張上光劑等。5條

14、路線的具體工藝見表32, 8, 17。假設(shè)5條工藝路線中的物質(zhì)儲量都為100 ,t通過查詢MSDS與ICSC等數(shù)據(jù)庫獲取最危險的可燃性、爆炸性與毒性參數(shù),現(xiàn)整理各參數(shù)的取值列于表4。使用編制的MATLAB程序進行計算,得出各條工藝路線的指數(shù)值見表5。通過表5可見, 5條MMA的工藝路線的本質(zhì)安全水平由高到低排序為異丙醇法、異丁烯法、丙烯法、乙烯法、ACH法。這與相關(guān)文獻中使用PIIS, ISI等方法評價的結(jié)果是相吻合的2, 4, 8。結(jié)果表明,筆者研究的指標模型可以用于化工工藝路線的本質(zhì)安全評價。4結(jié)論為有效地解決指數(shù)值的邊界波動效應(yīng),筆者使用模糊綜合評價法建立了本質(zhì)安全評價指標模型, 主要結(jié)

15、論如下:1)確定了本質(zhì)安全評價指標體系,由物質(zhì)危險性和工藝條件危險性方面的可燃性、爆炸性、毒性、反應(yīng)性、溫度、壓力、儲量等7個指標組成。2)選用ISI中各個指標的取值范圍,并對其歸一化,作為該模型中的指標對于總指標的權(quán)重系數(shù)。3)參照相關(guān)國家標準規(guī)范、危險指數(shù)或者安全評價指標體系中的等級劃分,制定出該模型中各個指標的具體分級,并確定了各個指標對各分級的隸屬函數(shù)。4)使用矩陣相乘的形式計算出該模型的本質(zhì)安全指數(shù),指數(shù)值越大,本質(zhì)安全程度越低。5)通過對MMA的5條工藝路線的本質(zhì)安全評價,證明了該方法能夠科學(xué)有效地對工藝路線的本質(zhì)安全型進行分級。由于化工工藝的危險因素很多,文中只是提取了其中最重要

16、的7種。并且在評價指標的分級、隸屬度的確定等方面存在很大的主觀性。因而,在以后的研究中,還需要進一步深入探索,以提高化工工藝本質(zhì)安全評價的全面性與客觀性。參考文獻1吳宗之,樊曉華,楊玉勝.論本質(zhì)安全與清潔生產(chǎn)和綠色化學(xué)的關(guān)系J.安全與環(huán)境學(xué)報, 2008, 8(4):135-138.2樊曉華,吳宗之,宋占兵.化工過程的本質(zhì)安全化設(shè)計策略初探J.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報, 2008, 16(2):191-199.3王艷華,陳寶智,黃俊.化工過程本質(zhì)安全性之模糊評價系統(tǒng)J.中國安全科學(xué)學(xué)報, 2008, 18(7): 128-133.4Chan T, AzmiM. Process route ind

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